前 言

 
当今, 空中机器人技术在民用及国防等诸多领域中的广泛应用,已经越来越被人们所重视, 并吸引了各国专家学者的注意。小型旋翼机器人是以模型直升机为载体, 装备上传感器单元, 控制单元和伺服机构等装置以实现自主飞行。而为了提高飞机的安全性, 需要设计一套设备监测系统, 实时监测飞机的姿态信息、机载设备的状况以及电源的情况等。
 
该平台所使用的电源是两节锂电池串联组成的电池组, 利用锂离子电池的充放电特性, 设计了一套以 mega16l 为核心的充放电管理系统。锂电池具有体积小、能量密度高、无记忆效应、循环寿命高、高电压电池和自放电率低等优点, 与镍镉电池、镍氢电池不太一样的是必须考虑充电、放电时的安全性,以防止特性劣化。因此在系统运行过程中, 为了保护锂电池的安全, 设计了一套欠压保护电路, 以防止电源管理系统因过用而发生电池特性和耐久性特性劣化。
 
1 电源管理系统总体框架
无人机电源管理系统是飞机实现自主飞行的重要组成部分, 其大致框架如图 1 所示。在该系统中, 利用 AXI 公司生产的 2212/ 34 型号发电机将动能转换为 220V 交流电, 再经过整流稳压后输出 11.6V 的直流电压, 可由该输出电压为两节锂电池充电。电源管理系统的控制器是 meg a161 单片机, 该控制器通过检测两节锂电池的电压大小从而控制继电器开关来对电池进行充放电管理。
 
图 1 电源管理系统框架
 
控制器采集到电源系统中的信息后, 通过无线传输设备将该数据实时传输给地面。地面监控平台还可以发送一些指令给 mega16l, 通过控制继电器开关来控制电池充放电, 从而实现监测和控制飞机的目的。
 
机上电源模块由两节英特曼电池有限公司生产的锂电池组成, 电池组电量充足时电压为 8?? 4V. 电池的荷电量与整个供电系统的可靠性密切相关, 电池剩余电量越多, 系统的可靠性越高, 因此飞行时能实时获得电池的剩余电量, 这将大大提高飞机的可靠性。
 
2 电源监控系统的实现
直升机能顺利完成飞行任务, 充足的电源供应不可或缺。
 
由锂电池的特性可知, 在过度放电的情况下, 电解液因分解而导致电池特性劣化并造成充电次数降低。因此为了保护电池的安全, 电源系统在给控制系统供电前要经过欠压保护模块和稳压模块。为了预测电源系统中剩余的电量, 这里采用检测电源系统电压的方法, 在测得系统的电源电压后, 查找由放电曲线建立的数据库, 就能估计出电源系统中所剩余的电量。
 
单片机所需要的电源电压是 2. 7 ~ 5.5V, 因此可为 meg a16l 设计外部基准电压为 2.5V, 该基准稳压电路如图 2 所示。所以系统要检测电池的电压, 需要将电池用电阻进行分压且最大分得的电压值不能超过 2.5V. 控制器测得的电压值乘上电压分压缩小的倍数后, 就能得到电源系统中的实时电压。时刻监测锂电池的用电情况, 防止电池过用现象出现, 就能达到有效使用电池容量和延长寿命的目的。
 
图 2 基准电压电路
 
2.1 硬件设计
2.1.1 直流无刷电机电路
无刷直流电机是由电动机主体和驱动器组成, 是一种典型的机电一体化产品。直流无刷电机与一般直流电机具有相同的工作原理和应用特性, 而其组成是不一样的, 除了电机本身外, 前者还多一个换向电路, 直流无刷电动机的电机本身是机电能量转换部分, 它除了电机电枢、永磁励磁两部分外, 还带有传感器。该发电机的部分 AC-DC 电路如图 3 所示。
 
图 3 无刷电机 AC-DC 电路
 
2.1.2 充电电路
锂离子电池的充电特性和镍镉、镍氢电池的充电特性有所不同, 锂离子电池在充电时, 电池电压缓慢上升, 充电电流逐渐减小, 当电压达到 4.2V 左右时, 电压基本不变, 充电电流继续减小。因此对于改型充电器可先用先恒流后恒压充电方式进行充电, 具体充电电路如图 4 所示。该电路选用 LM2575ADJ 组成斩波式开关稳压器, 最大充电电流为 1A.
 
图 4 高效开关型恒流 / 恒压充电器部分电路
 
该电路工作原理如下: 当电池接入充电器后, 该电路输出恒定电流, 对电池充电。该充电器的恒流控制部分由双运放 LM358 的一半、增益设定电阻 R3 和 R4 、电流取样电阻 R5 和 1. 23V 反馈基准电压源组成。刚接入电池后, 运放 LM358 输出低电平, 开关稳压器 LM2575-ADJ 输出电压高, 电池开始充电。当充电电流上升到 1A 时, 取样电阻 R5 (50m 欧) 两端压降达到 50mV, 该电压经过增益为 25 的运放放大后, 输出 1.23V 电压, 该电压加到 LM2575 的反馈端, 稳定反馈电路。
 
当电池电压达到 8.4V 后, LM3420 开始控制 LM2575ADJ 的反馈脚。LM3420 使充电器转入到恒压充电过程, 电池两端电压稳定在 8?? 4V.R6 、R7 和 C3 组成补偿网络, 保证充电器在恒流 / 恒压状态下稳定工作。若输入电源电压中断,二极管 D2 和运放 LM358 中的 PNP 输入级反向偏置, 从而使电池和充电电路隔离, 保证电池不会通过充电电路放电。当充电转入恒压充电状态时, 二极管 D3 反向偏置, 因此运放中不会产生灌电流。
 
2.1.3 电源欠压保护
电源欠压保护由锂电池的电池放电特性易知, 当电池处于 3.5V 时, 此时电池电量即将用完, 应及时给电池充电, 否则电池电压将急剧下降直至电池损坏。于是设计了一套欠压保护电路如图 5 所示, 利用电阻分压所得和由 TL431 设计的基准电压比较, 将比较结果送人 LM324 放大电路进而触发由三极管构成的开关系统, 从而控制负载回路的通阻。试验证明, 当系统电压达到临界危险电压 7V 时, 系统的输出电流仅为 4mA, 从而防止了系统锂电池过度放电现象的产生。
 
图 5 欠压保护电路
 
由于锂离子电池能量密度高, 因此难以确保电池的安全性。在过度充电状态下, 电池温度上升后能量将过剩, 于是电解液分解而产生气体, 因内压上升而发生自燃或破裂的危险;反之, 在过度放电状态下, 电解液因分解导致电池特性及耐久性劣化, 从而降低可充电次数。该充电电路和本管理系统能有效的防治锂电池的过充和过用, 从而确保了电池的安全, 提高锂电池的使用寿命。

 

 
2. 2 软件设计
电源管理系统的软件设计主要是 meg a16l 通过其 8 路 10 位 ADC 端口来检测电池的电压状态, 根据不同的情况采取相应措施。一旦出现有电池低于 7.0V 的情况,单片机就将该电池切换到充电状态并保证至少有一组电池为负载供电, 且电池 1 优先级别高于电池 2. 主要程序流程图如图 6 所示, 程序处于一个无限循环, 单片机时刻监测两组电池的电压的状态并记忆当前的充电状态, 一旦放电的电池达到 7V 以下, 单片机驱动继电器开关将充电回路切换到该电池并将另一组电池切换为负载回路的电源。
 
图 6 AVR 主程序流程图
 
程序在运行的过程当中, 每隔 1 秒定时器 1 产生一次中断, 通过串口接收监控平台发来的指令信息并将飞机的两组电源的实时电压状况、继电器的状态等信息通过无线射频模块发送给地面站以便地面能实时了解到飞机的供电情况。
 
2. 3 上位机设计
2. 3.1 无线射频模块
电源管理系统的上位机硬件方面主要由无线射频模块、电平转换电路及 PC 电脑组成, 大致框图如图 1 所示。因射频模块将接收出来的数据是 TTL 电平, 再通过 max 232 电平转换将其变为 RS232 电平传送给电脑, 从而实现飞机和地面的通信。
 
该系统之所以能实现远距离监测飞机, 主要依靠无线射频模块的远距离和高准确度等特性。其主要特点如下所示: ( 1)长距离特性: 室内 / 城市距离高达 450 米; 室外可视范围: 带 2.1dB 偶极天线高达 11 公里, 带高增益天线可达 32 公里; 接收器灵敏度为 - 110dBm.( 2) 高级网络和安全: 7 个跳频信道, 每个信道可获得 65k 地址, 恢复和确认机制以保证可靠分组传输; 支持对等网络结构( 没有主 / 从依赖关系) , 支持点对点、点对多和多点接入网络拓扑结构。
 
由此可知, XT end OEM 无线射频模块在低成本无线数据通讯解决方案中提供了最远的距离。该模块易于使用, 耗电低, 对设备间重要数据包提供了可靠的数据传送, 体积紧凑节省宝贵的电路板空间。图 7 表示的是由 XTend OEM 无线射频模块构成的主机间无线连接的系统框图。
 
图 7 主机间无线连接的系统框图
 
2.3.2 地面监控平台
监控平台是整个设备监控系统的重要组成部分, 监控平台与控制程序之间要求具有双工通信的。一方面, 飞机平台上控制器将飞机的实时信息利用数传发到地面, 另一方面, 地面站将指令发给飞机以完成所需要的任务。